Озоновый слой Земли: почему в нем нет дыр и что, кроме фреона, его разрушает?

Олег Угольников — кандидат физико-математических наук и почетный работник науки и высоких технологий РФ. Возглавляет жюри Всероссийской олимпиады школьников по астрономии. В этом статусе он приехал в «Сириус» на финал ВсОШ. Когда заключительный этап завершился, ученый прочитал для участников лекцию, посвященную кислороду и озону, и ответил на их вопросы.  

Олег Угольников Фото: © Юрий Славин / Пресс-служба «Сириуса»

— Что такое озон?

— Когда про озон еще ничего не знали, голландский ученый Мартин ван Марум обнаружил, что при пропускании через кислород электрических искр образуется характерный резкий запах. Позже немецкий химик Кристиан Фридрих Шёнбейн заявил, что это новый газ, и назвал его озоном, что в переводе на русский означает «резко пахнущий».

Замороженный жидкий кислород (кстати, очень взрывоопасный) с примесью озона имеет красивый синий цвет — его дает озон. Озон отчасти поглощает зеленые, желтые и красные лучи и за счет этого обладает характерной сине-голубоватой окраской. Без озона в атмосфере в сумерки небо быстро бы теряло голубой цвет и окрашивалось в желто-салатовый. 

Если мы прижмем весь озон из атмосферы к полу, то получится слой толщиной всего 3–4 миллиметра. И этот слой газа имеет в некоторых диапазонах ультрафиолетовой области спектра оптическую толщину — вплоть до 100. 

Максимальная концентрация озонового слоя находится в 25 км от поверхности Земли. На этой высоте кислород задерживает ультрафиолет, способный разбить молекулу кислорода на два атома. Нам крупно повезло: если бы озон образовывался выше, его было бы мало и ультрафиолет проникал бы на Землю. Если бы кислород пропускал ультрафиолет ниже, то озон образовывался бы прямо в воздухе, а это ядовитый газ. Сейчас же озон защищает нас, при этом не вредит. 

Как появляется озон с точки зрения химии и физики

«Все начинается с того, что молекула кислорода встречается с квантом жесткого ультрафиолетового излучения Солнца и может разбиться на два атома. Кислород из четного состояния переходит в нечетное, а в таком случае у него абсолютно другие химические свойства. В основном он может превращаться только сам в себя. Например, атом кислорода может сесть на молекулу кислорода и останется нечетным, потому что в новой молекуле атомов будет три. В результате получится газ, который защищает нас от всего ультрафиолетового диапазона, — озон», — поясняет Олег Угольников. 

— Получается, озон образуется не только во время грозы?   

— Гроза — это разовое явление, при котором озон образуется в тропосфере, и попасть в стратосферу ему очень сложно. К тому же в грозу его появляется не много.

Основной канал образования озона — это ультрафиолет Солнца, освещающий кислород в стратосфере, все остальное — это очень малые поправки. 

— Озон всегда существовал на Земле?

— Его содержание менялось. Озоновый слой образовывался достаточно медленно в течение первых миллиардов лет существования Земли. 

— Насколько опасны озоновые дыры?

— Никаких дыр как таковых нет. Это такой журналистский термин. Он относится к пространству, где озон потерял 30 % от своего содержания.

До 1974-го с озоновым слоем все еще было в порядке. В том году американские химики Фрэнк Шервуд Роуленд и Марио Молина в лабораторных исследованиях обнаружили, что озон каталитически разрушается атомарным хлором, который образуется из обычных фреонов. Их использовали в холодильниках, газовых баллончиках. Ученые опубликовали статью, где предупредили, что применение фреонов может нанести большой вред озоновому слою, но их не послушали. 

Фреоны — очень стабильные газы. Срок их жизни достигает десятков лет. Они спокойно попадают в стратосферу, где высвобождают хлор, а он взаимодействуют с озоном.

Восстановление озонового слоя идет очень медленно Фото: © Andrei Armiagov / Shutterstock / FOTODOM

С 1979 года вокруг Земли летал спутник Nimbus-7, главной задачей которого было измерение газового состава атмосферы: с орбиты это делать гораздо удобнее. В 1980-м он обнаружил падение содержания озона над Антарктидой. 

Оно было настолько резкое, что ученые сочли это ошибкой прибора и не обратили на нее внимания. 

Через несколько лет то же самое обнаружили и на наземной станции. Люди осознали проблему только в середине 1980-х годов. К счастью, были быстро найдены похожие на фреоны газы, которые работали в холодильных установках не хуже и при этом не разрушали озон, хоть и были немного дороже. После принятия Монреальского протокола быстро падает выброс фреонов, и в 1996 году озоновый слой перестал разрушаться. 

В «Послании ученых человечеству» 2017 года этот случай отмечен как единственный, когда человек осознал угрозу, которую он создал для атмосферы и смог принять меры. А Роуленда и Молину удостоили Нобелевской премии по химии. 

Восстановление озонового слоя идет очень медленно. По очень скромным прогнозам, к 2050–2060-м годам он вернется к состоянию середины XX века. И расслабляться рано. Сейчас за счет парникового эффекта температура в стратосфере уменьшается. Выше 10 км идет достаточно быстрое похолодание. Есть угроза, что в Арктике, которая за счет океана теплее, чем Антарктида, к концу XXI века могут возникнуть условия как на Южном полюсе и появится риск появления озоновой дыры.

#экология #озоновый слой

Озоновый слой полностью восстановится через 43 года

Читать

— Можно ли восстановить защитный слой, синтезируя озон и отправляя его в атмосферу? 

— Нет. Во-первых, вы не довезете его до стратосферы, он фактически «развалится» (превратится в обычный кислород) по дороге. Озон — нестойкий газ. Его нельзя засунуть в баллон и поднять наверх — стукаясь о стенки, он начнет превращаться в кислород. Во-вторых, озон для нас ядовитый газ, сильный окислитель. 

— Есть ли другие газы, которые могут заменить озон и так же хорошо поглощать ультрафиолет? 

— В атмосфере — нет. Известно, что если озон убрать из атмосферы, то жизнь на Земле может сохраниться только под водой, потому что та хорошо блокирует ультрафиолет. Но реального заменителя озона, который мог бы присутствовать в атмосфере в таких количествах, нет. Для жесткого ультрафиолета есть, а для мягкого — нет. Но опасен-то именно последний, потому что его много. 

— Как перламутровые облака влияют на концентрацию озона?

— Перламутровые облака — красивое небесное явление, но при этом  фактический накопитель главных разрушителей озона. Они консолидируют в себе всю хлорную «нечисть», которая весной, выделяясь из облаков под воздействием солнечных лучей, уничтожает озон. В Северном полушарии нет больших озоновых дыр, как в Антарктиде, но их появление сильно коррелирует с температурой со знаком минус и появлением перламутровых облаков со знаком плюс.

Перламутровые облака в небе над побережьем Атлантического океана Фото: © Vik-is / Shutterstock / FOTODOM

Цвета северного сияния

Во время северного сияния заряженные частицы солнечного ветра попадают в магнитосферу Земли и взаимодействуют с кислородом. Высоко в атмосфере он не такой, как у поверхности. Наверху — атомарный, а внизу — молекулярный. У северного сияния преобладает зеленый цвет, но иногда виден красный спектр.

Северное сияние в небе над Исландией Фото: © Simon's passion 4 Travel / Shutterstock / FOTODOM

«Когда атом кислорода находится в возбужденном состоянии, то он примерно через секунду, если мы не будем ему мешать, перейдет в другое состояние и будет излучать квант зеленого цвета. Это возможно только на большой высоте, где вероятность столкновения с другими веществами меньше. Чтобы получить излучение красного цвета, атом должен находиться в покое десятки минут, поэтому оно видно в еще более высоких слоях атмосферы, где столкновения происходят  реже», — рассказывает Олег Угольников.

Северное сияние есть не только на Земле, но и на Юпи­те­ре, Са­тур­не, Ура­не и Неп­ту­не.

— Влияют ли запуски ракет на озоновый слой?

— Да, прежде всего химическим образом, ведь не только хлор разрушает озоновый слой. Но глобально влияние этого фактора невелико.  

— Есть ли озон на других планетах?

— На Марсе он точно есть. В ближайшие годы на экзопланетах начнут открывать атмосферу и обнаруживать спектральные линии газов. Озон в этом плане один из основных кандидатов на открытие. При этом есть мнение, что его нельзя использовать как надежный биомаркер. 

#астрономия #космос

Экзопланеты: как ищут жизнь за пределами Солнечной системы

Читать

Если наблюдать по диску далекой звезды транзит планеты, то она в ультрафиолете будет выглядеть больше, чем в оптике, — так доказывается наличие озона. Но это совершенно не говорит о том, что там много кислорода и надо искать жизнь. У озона спектральные линии настолько мощные, что даже при небольшом количестве озона и кислорода в атмосфере, как на Марсе, например, вы его откроете. Но это не значит, что там есть атмосфера с преобладанием кислорода. Как хорошие биомаркеры сейчас рассматриваются окиси азота, которые точно показывают, что в атмосфере много кислорода и азота, а их комбинация с большей вероятностью указывает на возможность жизни.

#погода #российские ученые #озоновый слой

Магнитные бури разрушают четверть всего озонового слоя Земли

Читать